(57)【要約】【課題】  鋳鉄鋳物素材の脱炭を従来より大幅に短時間で行うことのできる脱炭熱処理方法を提供する。【解決手段】    炭酸ナトリウム又は炭酸カリウムから選ばれる１種以上と、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムから選ばれる１種以上と、シリカとからなる配合物を含有する溶融塩中で鋳鉄鋳物素材の脱炭を行うことを特徴とする鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸ナトリウム又は炭酸カリウムから選ばれる１種以上と、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムから選ばれる１種以上と、シリカとからなる配合物を含有する溶融塩中で鋳鉄鋳物素材の脱炭を行うことを特徴とする鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。
【請求項２】
炭酸ナトリウム又は炭酸カリウムから選ばれる１種以上を２０〜６０質量％、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムから選ばれる１種以上を５〜２０質量％、シリカ２０〜５５％質量とからなる配合物を含有する溶融塩中で鋳鉄鋳物素材の脱炭を行うことを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。
【請求項３】
前記溶融塩の温度が９５０〜１１００℃である請求項１又は２に記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。
【請求項４】
前記鋳鉄鋳物素材が、白銑鋳物素材である請求項１〜３のいずれかに記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法に関する。特に詳しくは、白銑鋳物素材から白心可鍛鋳鉄鋳物を得る際の脱炭熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
白心可鍛鋳鉄鋳物は、鋳造により製造された白銑鋳物素材を砂鉄やスケールなどの固体脱炭剤の中に埋めて、あるいはＣＯ2を主体としたＣＯ2、ＣＯ、Ｈ2Ｏ混合ガスなどの酸化性ガス雰囲気中において、１０７０℃前後の温度で６０〜１００ｈ加熱し脱炭し、その後５００〜６００℃まで徐冷した後、放冷して製造される（例えば、特許文献１〜３参照）。したがって、白銑鋳物素材を鋳造する際には、比較的炭素含有量の高い、溶湯の流動性の良い鋳鉄を用いることにより多様な形状の鋳込みができるため、複雑形状で薄肉の鋳物素材の作製が可能である。しかも上記脱炭熱処理により白心可鍛鋳鉄鋳物は表層部がフェライト組織になるため、溶接性、メッキ性等に優れ、内部はフェライトとパーライトと焼戻し黒鉛の混合組織とからなり比較的高い引張強さおよび伸びをもつ性質が得られる。その特質により、白心可鍛鋳鉄鋳物は、自動車部品をはじめ、産業機械器具用部品、土木建築部品、工具類、刃物類等、広く用いられている。
【特許文献１】特開平１０−１７６２３６号公報
【特許文献２】特開２００２−２５６３４０号公報
【特許文献３】特開２０００−４５０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記従来の脱炭熱処理方法のうち、脱炭剤として砂鉄やスケールなどの固体脱炭剤を用いる方法では、白銑鋳物素材を耐熱性のポットに入れてポットごと加熱炉で加熱するので、鋳鉄鋳物素材表面の反応済み雰囲気が長時間停滞して反応を遅くするとともに、必要な温度までの加熱時間や冷却時間が長くなる。一方、ＣＯ2を主体としたＣＯ2、ＣＯ、Ｈ2Ｏ混合ガスなどの酸化性ガスを用いる方法では、必要な温度までの加熱時間や冷却時間は上記固体脱炭剤を用いる方法に比べ短縮できる。しかし、鋳鉄鋳物素材表面での脱炭反応は、上記固体脱炭剤を用いる方法と同様、Ｃ＋ＣＯ2→２ＣＯの反応によりガスを介して進行するため、依然として遅い。したがって、上記の両脱炭方法とも所望の脱炭深さを得るのに６０〜１００ｈという極めて長時間を要していた。そのため、白心可鍛鋳鉄鋳物の生産性が低いことが問題であった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、鋳鉄鋳物素材の脱炭を従来より大幅に短時間で行うことのできる生産性の優れた脱炭熱処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明はこのような課題の解決のために完成されたものであって、その要旨とする特徴は以下の通りである。
（１）炭酸ナトリウム又は炭酸カリウムから選ばれる１種以上と、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムから選ばれる１種以上と、シリカとからなる配合物を含有する溶融塩中で鋳鉄鋳物素材の脱炭を行うことを特徴とする鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。
（２）炭酸ナトリウム又は炭酸カリウムから選ばれる１種以上を２０〜６０質量％、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムから選ばれる１種以上を５〜２０質量％、シリカ２０〜５５％質量とからなる配合物を含有する溶融塩中で鋳鉄鋳物素材の脱炭を行うことを特徴とする前記（１）に記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。
（３）前記溶融塩の温度が９５０〜１１００℃である前記（１）又は（２）に記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法
（４）前記鋳鉄鋳物素材が、白銑鋳物素材である前記（１）〜（３）いずれかに記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、鋳鉄鋳物製品の品質を維持しつつ、鋳鉄鋳物素材の脱炭を従来より大幅に短時間で行うことができるため、白心可鍛鋳鉄鋳物など脱炭熱処理を必要とする鋳鉄鋳物製品の生産性が顕著に改善され、さらに用途の拡大が期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下においては、白銑鋳物素材から白心可鍛鋳鉄鋳物を得るための脱炭方法についてのみ説明するが、これに限定されるものではなく、ねずみ鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、Ｃ／Ｖ鋳鉄など他の鋳鉄からなる鋳物素材を脱炭熱処理する場合も本願発明の技術的範囲に含まれるものである。
【０００８】
本発明の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法の実施に用いる溶融塩浴炉としては、一般の熱処理に用いられる、バーナーにより溶融塩浴炉の外周から加熱する外熱式の炉や、溶融塩浴に電極を挿入して抵抗加熱により内部から加熱する内熱式の炉などを用いることができる。設備コストの面からは外熱式の炉の方が有利であるが、内熱式の炉の方が浴の攪拌効果が大きく溶融塩浴の温度と組成をより均一化できるため好ましい。
【０００９】
本発明の脱炭熱処理方法に用いる溶融塩は、以下の化学組成の化合物を配合し、これを加熱溶融することにより得ることができる。なお、以下において、化学組成の％は質量％を意味する。
【００１０】
先ず、Ｎａ2ＣＯ3（炭酸ナトリウム）及びＫ2ＣＯ3（炭酸カリウム）は主たる脱炭剤であるとともに低融点の溶融塩を生成するための塩基性成分として作用する塩浴形成剤である。
【００１１】
すなわち、Ｎａ2ＣＯ3は、約８５０℃以上に加熱されると下記（１）式の熱分解反応を起こす。これにより発生したＣＯ2が白銑鋳物素材表面のＣとが下記（２）式の反応により脱炭を進行させる。しかも、このＣＯ2の発生により、塩浴は攪拌され、溶融塩と白銑鋳物素材との接触効率を高めることができる。
【００１２】
Ｎａ2ＣＯ3→Ｎａ2Ｏ＋ＣＯ2    ・・・（１）
Ｃ＋ＣＯ2→２ＣＯ              ・・・（２）
また、（１）式の熱分解反応で生じたＮa2Ｏは塩基性成分として他の配合成分である酸性成分としてのシリカ（ＳｉＯ2）と反応して様々な形態の珪酸ナトリウム化合物を生成し、流動性に優れた低融点の安定した塩浴を形成する。
【００１３】
Ｋ2ＣＯ3は、約８９０℃以上に加熱されると下記（３）式に従う熱分解反応を起こす。これにより発生したＣＯ2と白銑鋳物素材表面のＣとが同様に前記（２）式の反応により脱炭を進行させる。しかも、このＣＯ2の発生により、塩浴は攪拌され、溶融塩と白銑鋳物素材との接触効率を高めることができる。
【００１４】
Ｋ2ＣＯ3→    Ｋ2Ｏ＋ＣＯ2    ・・・（３）
また、前記熱分解反応で生じたＫ2Ｏは塩基性成分として他の配合成分である酸性成分としてのＳｉＯ2と反応して様々な形態の珪酸カリウム化合物を生成し、流動性に優れた低融点の塩浴を形成する。
【００１５】
これらＮａ2ＣＯ3及びＫ2ＣＯ3の配合量はその１種以上の合計量を２０〜６０％とすることが望ましい。これら炭酸塩の配合量が２０％未満では白銑鋳物素材の脱炭が不十分となり、白銑鋳物製品の溶接性、メッキ性などの特性が十分確保できないことになり、且つ、塩基性成分が不足し、安定した塩浴自体の形成も困難となるため好ましくない。さらに、ＳｉＯ2が増加するためその溶融（溶け落ち）までに長時間を要し、エネルギーコストが嵩むことになるのでやはり好ましくない。
【００１６】
また、これら炭酸塩の６０％を越える配合では、溶融塩の流動性が低下するとともに過剰なＣＯ2の発生により突沸現象が起こるなど操業が不安定となるので好ましくない。
【００１７】
水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）及び水酸化カリウム（ＫＯＨ）は塩浴形成剤であり、また脱炭剤としても作用する。さらに、これら水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）及び水酸化カリウム（ＫＯＨ）は白銑鋳物素材の酸化による侵食を抑制する重要な作用を併せ持っている。
【００１８】
ＮａＯＨ及びＫＯＨは融点がそれぞれ３１８℃及び３６０℃と低いため、低温で溶け、塩浴を速やかに形成するのに役立つとともに、下記（４）式及び（５）式の反応により、分解して、塩基性成分であるＮａ2Ｏ及びＫ2Ｏを生成し、酸性成分として添加されるＳｉＯ2と反応して様々な形態の珪酸ナトリウム化合物及び珪酸カリウム化合物となり、低融点の安定した塩浴を形成する。
【００１９】
ＮａＯＨ  →  Ｎａ2Ｏ＋Ｈ2Ｏ    ・・・（４）
ＫＯＨ    →  Ｋ2Ｏ＋Ｈ2Ｏ      ・・・（５）
そして、これらの分解反応により同時に生成したＨ2Ｏは次の（６）式の反応により、白銑鋳物素材の表面のＣと反応して脱炭を促進する。
【００２０】
Ｃ＋Ｈ2Ｏ  →ＣＯ＋Ｈ2          ・・・（６）
また、この（６）式により発生したＣＯは一部のＨ2Ｏと反応し、下記（７）式のように水生ガス（ＣＯ2＋Ｈ2）を生成する。このガス中のＣＯ2は前述した（３）式の反応によってさらに白銑鋳物素材の表面の脱炭を進行させることになる。
【００２１】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  →ＣＯ2＋Ｈ2          ・・・（７）
これらの脱炭反応が進行する一方において、白銑鋳物素材表面のＣが脱炭よって一定の限界を超えて減少すると、今度は白銑鋳物素材の鉄が酸化して次式（８）に示すようにヴィスタイト（ＦｅＯ）になり、素材の表面が侵食され、凹凸が形成される現象が生じる。
【００２２】
Ｆｅ＋ＣＯ2  →ＣＯ＋ＦｅＯ      ・・・（８）
しかしながら、上記（６）及び（７）式により発生したＨ2によりＨ2の分圧がＣＯ分圧に比較してかなり高いため、本熱処理による９５０〜１１００℃の高温では下式（９）により鉄の過度の酸化を抑制し、白銑鋳物素材の侵食を防止するように作用する。
【００２３】
ＦｅＯ＋Ｈ2  →  Ｆｅ＋Ｈ2Ｏ          ・・・（９）
これらＮａＯＨ及びＫＯＨの配合量はその１種以上の合計量を５〜２０％とすることが望ましい。これらの配合量が５％未満では白銑鋳物素材の脱炭が不十分となり、白銑鋳物製品の溶接性、メッキ性などの特性が十分確保できないことになり、且つ、安定した低融点の塩浴を速やかに形成できない不利が生じる。しかも、白銑鋳物素材の酸化による侵食を十分に抑制できない問題が生じ、好ましくない。一方、２０％を越える配合は炭酸塩やＳｉＯ2を減少させなければならなくなり、炭酸塩が減少した場合は脱炭が不十分となって白銑鋳物製品の溶接性、メッキ性などの特性が不十分となり、またＳｉＯ2が減少した場合は塩浴が不安定となり、アルカリ蒸気の発生が増大し、塩浴のロスが大きくなるとともに、これらアルカリが炉の耐火物や排気経路などの構成材を侵食、腐食するので好ましくない。
【００２４】
ＳｉＯ2は酸性成分としての塩浴形成剤であり、前記のＮａ2ＣＯ3、Ｋ2ＣＯ3及びＮａＯＨ及びＫＯＨからもたらされるＮａ2Ｏ、Ｋ2Ｏなどの塩基成分と反応して各種の珪酸化合物を生成させ、低融点の流動性に優れた塩浴を形成し、また高温状態における溶融塩の組成を安定化させる作用を有する。
【００２５】
このＳｉＯ2の配合量は２０〜５５％とすることが望ましい。２０％未満では安定した珪酸化合物の生成が不足し、安定した塩浴の形成が困難となるため、アルカリの蒸発が増大し、炉の耐火物や排気経路などの構成材を侵食、腐食の問題が生じることになり好ましくない。また、５５％を越える配合では、珪酸化合物とならないＳｉＯ2成分が塩浴に混在することになり低融点の流動性に優れた安定した塩浴の形成を阻害することになり、さらにエネルギーコストも大きくなるので好ましくない。
【００２６】
本発明では上述した化学組成の配合物を上記溶融塩浴炉に装入し、脱炭熱処理に適した９５０〜１１００℃の範囲の温度に加熱して溶融する。溶融塩浴の温度を９５０〜１１００℃としたのは、９５０℃未満では白銑鋳物素材の表面の脱炭が不十分となり、同鋳物素材内部のＣの拡散が弱くなり十分な熱処理ができないことから生産性が大幅に低下し、また１１００℃を超えると白銑鋳物素材自体の溶損の恐れが生じるとともに、溶融塩浴からの揮発分の発生が過大となり、耐火物などの侵食も激しくなるからである。
【００２７】
脱炭熱処理を行う白銑鋳物素材は、常温のまま溶融塩浴炉に浸漬すると急激な昇温により鋳物素材自身が変形したり、溶融塩浴炉の温度を低下させるため、予め溶融塩浴炉とは別の予熱炉で８３０〜８６０℃に予熱してから、溶融塩浴炉に浸漬することが好ましい。なお、予熱温度の上限を８６０℃としたのは、大気雰囲気下で予熱しても白銑鋳物素材の表面には薄い酸化皮膜が生成する程度として、酸化スケールの生成により表面性状を劣化させないためである。このため、予熱時間も２０ｍｉｎ以内とする。
【００２８】
脱炭熱処理が完了した後、白銑鋳物素材を溶融塩浴炉より取り出し、白銑鋳物素材表面に高圧空気等を吹き付けて表面に付着した溶融塩を除去する。
【００２９】
そして、炉冷（制御冷却）および／または放冷により白銑鋳物素材の冷却速度を調整することにより、最終製品である白心可鍛鋳鉄鋳物が得られる。冷却速度の調整は、例えば、常用の送風機を用いてその吹き付け風力を調整することにより行える。すなわち、最終製品として高強度製品を得たい場合には送風機の最強レベルの風力で急冷すればよく、通常強度製品を得たい場合には送風機の最弱レベルの風力で徐冷すればよい。また、弱強度高延性製品を得たい場合には送風機を用いずに放冷すればよい。
【００３０】
なお、冷却後の製品の表面に付着した溶融塩の固化物が残存していても高圧温水を吹き付けることにより容易に除去できる。
【００３１】
上記脱炭熱処理に使用した溶融塩は、その脱炭能が低下した場合には、例えばＮａ2ＣＯ3粉末、酸化鉄粉末、ＣＯ2含有ガス等を溶融塩浴中にランス等で吹き込むことにより脱炭能力を再生することができる。これにより、溶融塩浴を冷却することなく続けて次回の脱炭熱処理に使用できる。したがって、従来の固体脱炭剤を用いる方法のように、ポットに入れた固体脱炭剤を脱炭熱処理に使用するごとに昇温・冷却する必要がなくなり、この点からもエネルギー使用量の節減が図れる。
【００３２】
本発明に使用する溶融塩は、毒性のない無公害の化学組成のみで構成された配合物から得ることができることと、上記のように再生使用が可能なことから、公害防止や廃棄処理に対する負担はほとんど必要としない。
【００３３】
以下に本発明による具体的な実験例を挙げ、本発明の優れた効果を明確にする。
【００３４】
（実施例１）
白銑鋳物素材として、Ｃ：３．２％、Ｓｉ：０．６％、Ｍｎ：０．３％、Ｓ：０．１２％、Ｐ：０．０６％の白心可鍛鋳鉄用の銑鉄を溶製し、これを鋳造して長さ１５０ｍｍ×７０ｍｍ×厚さ４ｍｍの板状の試験片を複数個作製した。
【００３５】
これら試験片を予熱炉に入れて８００℃×３０ｍｉｎの条件で予熱した後、それぞれ下記のような３種類の異なった組成を有する配合物からなる溶融塩原料を溶解した１００Ｋの脱炭炉（内燃式電気炉：３０ＫＷ）に装入、浸漬し、１０７０℃で１０時間、２０時間、３０時間及び４０時間の各時間において脱炭処理を行った。脱炭処理を終えた試験片は炉外に取り出し、室温まで放冷した後、高圧温水を吹き付けて付着物を洗浄、除去した。
【００３６】
（溶融塩原料の配合組成）
（１）配合物Ｎ    ：Ｎａ2ＣＯ3  ３８％、ＳｉＯ2 ２８％、ＮａＯＨ  ３４％
（２）配合物Ｎ-Ｋ：Ｎａ2ＣＯ3、１９％、Ｋ2ＣＯ3 １９％、ＳｉＯ2 ２８％
ＮａＯＨ  １７％、ＫＯＨ  １７％
（３）配合物Ｎ    ：Ｋ2ＣＯ3  ３８％、ＳｉＯ2 ２８％、ＫＯＨ  ３４％
こうして得られた各試験片の中央部から分析用の試料を採取し、赤外線吸収分析法で残留炭素量分析を行った。この結果を図１にまとめて示す。
【００３７】
この図１から、いずれの配合物を用いた場合も、２０時間で白心可鍛鋳鉄の残留炭素量の上限値（Ｃ≦０.６％）以下に脱炭され、また、４０時間では０.４％〜０.１％まで脱炭されていることが分かった。
【００３８】
また、これら脱炭時間が２０〜４０時間の試料の顕微鏡によるミクロ観察の結果、同一形状の従来の白心可鍛鋳鉄鋳物（固体脱炭剤により脱炭熱処理したもの）とほぼ同等の、脱炭フェライト層が表層部に形成されていることが確認できた。
【００３９】
（実施例２）
白銑鋳物素材として、実施例１と同じ成分の白心可鍛鋳鉄用の銑鉄を溶製し、これを鋳造して厚さ６ｍｍの汎用洋ハサミの把持部形状の試験片を複数個作製した。これら試験片を実施例１と同様にして余熱し、同じ３種類の溶融塩原料の配合物により同一温度で脱炭熱処理を行った後、放冷、洗浄した。得られた各試験片から採取された試料の残留炭素量を同様にして分析した結果を図２に示す。
【００４０】
この図２の結果から、実施例１と比べて肉厚で特殊な形状である洋ハサミの把持部においても、すべて４０時間で白心可鍛鋳鉄の残留炭素量の上限値（Ｃ≦０.８％）以下に脱炭されいることが判明した。
【００４１】
また、これら脱炭時間が４０時間以上の試料の顕微鏡によるミクロ観察の結果、同一形状の従来の白心可鍛鋳鉄鋳物（固体脱炭剤により脱炭熱処理したもの）とほぼ同等の、脱炭フェライト層が表層部に同様に形成されていることが確認できた。
【００４２】
これらの実施例の結果より、本発明の脱炭熱処理方法によると、従来の方法（固体脱炭剤や酸化性ガスを用いて行う方法）では６０〜１００ｈの長時間を要していたが、２０〜４０ｈの極めて短時間で目的とする脱炭を完了することが可能となり、生産性の大幅な向上を達成できることが明かである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施例１によって得られた白心可鍛鋳鉄鋳物の脱炭時間と残留炭素量の関係を示す棒グラフである。
【図２】本発明の実施例２によって得られた白心可鍛鋳鉄鋳物の脱炭時間と残留炭素量の関係を示す棒グラフである。
【図１】
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【図２】
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